面向工程能力培養的單片機課程教學與實踐方法

神顯豪+梁貴芹

摘要：當前大多數高校的單片機課程的教學模式主要還是以課堂授課和驗證性實驗為主，與企業的實際工程應用存在部分脫節的弊端，因此本文以提升學生工程能力為目的，分別在理論教學、實驗教學以及課后指導等環節，采取相應的教學和實踐措施來強化培養學生的工程能力的單片機教學方法。

關鍵詞：單片機；教學；工程能力

1 目前單片機教學在工程能力培養上存在的問題

隨著單片機在社會中的應用越來越廣，企業對單片機領域的人才有較大的需求[1]。但在高校人才培養計劃中，與單片機人才培養密切相關的是單片機原理及應用等相關課程，也逐步在探討與開展“理論教學+實踐教學”的單片機教學模式，并已有多個高校為單片機專門安排了專門的實驗教學學時，該教學方法從一定程度上改善了學生的動手能力，但實驗與工程應用相對脫節，學生并未掌握單片機系統的設計方法[2]，同時在教學過程中缺乏對學生工程概念的培養以及企業項目開發流程的指導，培養出來的學生缺少綜合開發能力，與企業所需要的具有工程能力人才具有很大差距。因此，故本文探討了一種基于工程能力培養的單片機教學方法，即在教學過程中有步驟有計劃地引入企業項目開發的基本流程，并指導學生如何根據流程來開展項目開發工作，培養學生的工程觀念以及工程能力，與企業的用人需求相一致。

2 單片機教學中工程能力的具體體現

工科學生的工程能力包括知識的學習與應用能力，思維判斷與分析能力，工程設計與實踐能力，表達與交流能力以及創造與創新能力[3]。對于單片機課程而言，注重培養的工程能力主要體現在：一是對單片機理論知識的學習及將其應用到單片機系統設計與開發中的能力；二是可根據單片機系統需求說明書，結合單片機理論知識，設計出符合工程需求的單片機系統的能力；三是在前期積累基礎上的升華，對專業知識的融匯貫通，并可在系統的設計與開發中，具有優化系統的能力—創新能力。

3 單片機教學中培養工程能力的具體措施

我校電子信息專業在第五學期開設《單片機原理與應用》課程，該課程特點是硬件與軟件并重，理論與應用相結合，同時還涉及多個學科，信息量大且課時少[4]。根據單片機課程的特點，結合我校電子信息專業學生從前期已學習課程而具有的知識儲備（前期學習儲備課程詳見表1），以及單片機的教學與實踐，同時從課堂理論教學環節、實驗室的實踐教學環節以及課后指導環節，采取相應的措施來培養學生工程能力。

（1）理論教學環節工程能力的培養

通過改變教學策略—將傳統的以教為主的理論教學模式，轉變為教-學-做一體的教學模式，增強學生知識的學習與應用能力，提升實際工程問題的分析與解決能力。

在教學過程中，除了教師對理論知識的講解，并引入相關案例，使學生加深對知識的理解外，還引導學生如何自己著手來設計具有一定功能的單片機系統。促使學生有效融入本課程的學習，提升動手能力以及創新能力。具體實施步驟如下：

首先，在課堂教學初始階段，可結合單片機系統在我們實際生活中的一些應用實例，同時通過講解應用實例中的單片機系統的開發步驟，并引入企業單片機應用系統開發的流程（詳見圖1）。使學生對本課程有一個較為全面的認識，了解本課程的學習方向以及今后的就業方向，減少職業陌生感，提高學生學習興趣。比如在講到單片機內部機構，引腳以及單片機硬件系統時，除了結合單片機實際應用案例進行深入分析之外，鼓勵學生在課后就自己自主搜集感興趣并已應用在實際中的單片機系統的資料，了解該產品的需求說明書，以及企業如何根據需求對該產品進行設計，使學生對單片機系統的具體應用與設計過程有較為深入的了解，也對從事單片機系統設計這一方面的工作有直觀的了解。另外，還鼓勵學生將之前在《電子系統仿真技術》中關于protues軟件平臺的使用知識，以及在《電子電路工程實踐》中學習的如何制作與調試PCB板的知識，與在本門課程中學習的單片機系統知識進行融會貫通，積極動手設計單片機硬件系統，并在protues上進行單片機系統的仿真，增強對單片機系統硬件的理解，特別是整個硬件系統的工作機制和如何根據所設計的硬件系統的需求，來設計符合系統硬件性能的單片機系統。

其次，在課堂教學時，除了遵循教學大綱教學要求外，將企業單片機項目開發的實際使用的技術，與本課程所學知識進行對比討論，并在對在企業工作所需的，但在教學大綱中未涉及或涉及較少的知識，進行有效補充。比如在講到指令系統、匯編語言程序設計時，可補充如何使用keil軟件來開發單片機系統的軟件，以及如何在keil中驗證自己所寫的代碼是否正確，并可通過單片機內部寄存器和單步執行來查看一下執行一些指令過程中，寄存器內部信息的變化，使學生更為深入了解單片機指令系統，指令系統的工作過程以及匯編語言的程序設計與運行過程。另外由于匯編語言本身的局限性，目前企業在開發單片機系統時，普遍采用單片機c語言，為了學生知識可與企業需求同步，在教學中結合學生前期所學的《c語言程序設計》課程，指導學生如何將c語言與單片機系統軟件設計結合起來，引導學生采用單片機c語言來開展單片機系統的軟件設計，并在實踐課上進行運行驗證，實現知識的融會貫通。

（2）實踐教學環節工程能力的培養

目前我校單片機實驗教學學時僅為為12學時，在后續的實踐環節，考慮到各個學生對課程知識的掌握程度不同，在單片機實踐教學環節采取驗證實驗與自主設計相結合的方式來開展實踐課—實驗教學環節采用驗證性實驗和自主設計性實驗兩個部分來構成，加強學生的工程設計與實踐能力。

驗證性實驗環節在實驗箱上進行，且實驗項目具有完整的實驗程序源代碼，相對于之前的學生只需單純地對實驗代碼進行運行，觀察實驗箱對應的硬件之外，學生還需要根據教師的要求，對代碼進行相應的修改，并能清晰說明整個代碼的運行流程以及修改依據，有效鍛煉學生分析代碼的能力以及表達能力。

自主設計實驗環節仍然是在實驗箱上進行，但教師在上相應的實踐課之前，需要對該次課所用的源碼進行有效梳理，刪減掉一些功能性代碼，同時對需要學生自行增加的代碼，提供必要的注釋，提前提供給學生，使學生能有較為充裕的時間來復習理論知識，并可充分思考如何解決實踐課的問題。這樣，學生不僅能更深領會該實踐課要實現的系統功能，并能在通讀已經提供的代碼和結合系統功能，對缺少的代碼補充完整?？捎行у憻拰W生讀寫程序的能力，還有解決問題的能力。而且在上實踐課時，學生是有備而來，可以盡快地投入到實驗中，如果有深思已久，卻仍然無法解決的問題，可與老師一起探討如何解決問題，直到問題解決，增加學生成就感的同時，還可以提高學生分析與解決問題的能力，促進師生的溝通與交流，提高學生的表達與交流能力。

（3）課后指導環節中工程能力的培養

通過加強《單片機原理與應用課程》與電子信息專業實踐教學環節相結合，可有效彌補單片機課程本身信息量大但課時偏少的問題。本專業第2學期開始，陸續開設了認識實習（第二學期）、電子電路工程實踐（第三學期），對后續的單片機學習提供了相關的知識儲備，并與單片機課程開設的同一學期，開設了智能電子儀器設備設計與實踐，學生可參考單片機課堂上學習的單片機系統設計流程來開展實踐環節的智能電子儀器設備的需求分析與軟硬件的設計，同時，在該實踐中對于具體產片的硬件設計與制作，數據采集過程中的A/D，D/A轉換，以及數據顯示等部分內容，可幫助學生在單片機學習過程中，對單片機硬件系統，A/D、D/A轉換接口、顯示接口的理解，并通過該實踐，學生可根據產品的需求，對產品功能以及性能的實現方式有極大的自由，學生可根據自己的想法以及對當前產品資料的查閱，然后對需要設計的產品進行自主創新，提高學生的創新能力。同時第五學期學習的單片機課程知識以及工程能力，可很好地服務于第六、第七學期開設的電子系統設計創新與實踐、先進電子制造實踐與生產實習，乃至學生最終的本科畢業設計。

4 結語

通過在《單片機原理與應用》理論教學、實驗教學以及課后指導三個環節加強學生工程能力的培養，學生不僅可以更好地掌握理論知識，還可以將理論知識有效地運用到具體的單片機系統的分析中，同時在設計具體的單片機系統時，不再忙亂無章，而是有意識地根據單片機系統開發的基本流程，來逐步開展系統的分析與設計。學生的工程觀念以及實際工程項目開發能力顯著提高，同時增強學生對未來就業的信心，為將來的就業打下一定基礎。

參考文獻：

[1]何新洲，肖學玲.任務驅動教學法在單片機教學中的應用[J].湖北成人教育學院學報，2011（11）：128-129.

[2]吳定會，紀志成.單片機原理與應用課程教學的改革與實踐創新[J].江南大學學報（教學科學版），2008，6（28）： 68-70.

[3]，祝海林，張炳生，胡愛萍等.工科學生工程能力培養體系的探索[J].江蘇工業學院學報，2008（4）：69-73.

[4]金紅，蔣存波.單片機課程教學的探索與實踐[J].電氣電子教學學報，2013，35（2）：44-46.

基金項目：廣西高等教育教學改革工程項目（2014JGA148）